如何建立信号完整性实验室

高速数字和信号完整性测试建议书

暨如何建立信号完整性实验室

一建立信号完整性实验室的必要性

众所周知，当今世界数字技术飞速发展，无论是一位从事通信系统，计算机系统，雷达和卫星通信系统，或是高速半导体集成电路设计，高速光电收发模块，高速信号处理，高速互连器件（诸如高速接插件，高速数字传输电缆）等领域的研发及测试工程师都会面临着一个共同的挑战——Signal Integrity（SI）——信号完整性。

多年前我们所提到的数字产品，其时钟或数据频率大多在几十兆之内，信号的上升时间大多在几个纳秒，甚至几十纳秒以上。那时的数字化产品设计工程师进行的就是“数字设计”――只要掌握布尔代数等数字方面的诸多知识，保证逻辑正确，就能设计出其所期望的性能的产品。而现在的数字技术已经发展到几千兆，甚至几十千兆的传输速率，信号的上升时间大多在一纳秒以内，诸如串扰，阻抗匹配，EMI（电磁兼容），抖动等射频微波领域才会遇到的问题，如今变成了高速数字设计必须解决的关键性问题。这就要求我们的工程师不但要具备数字方面的设计知识，同时也要具备射频微波方面的设计知识；不但要掌握时域及逻辑域的测量分析技术，还要掌握频域的测量分析技术。

信号完整性到底是什么？

信号完整性这个概念，是针对高速数字信号提出来的，信号的实际波形会与理想波形存在着差别，SI 解决的就是信号传输过程中的信号质量问题。到底什么样的信号会涉及SI 问题，要从信号的速率以及信号的上升时间两个角度来考虑。拿PCB来说，当一段PCB 上的连线所造成的信号传输延时远远小于信号的上升时间时，可按简单的电路理论去设计；当一段PCB 上的连线所造成的信号传输延时与信号的上升时间类似时（有说是几倍于上升时间），则必须按传输线的理论去设计，此时的这段连线即是传输线。举个具体实例，如图1 所示：

图1 高速信号的传输

假设由驱动器发出的信号是高质量的时钟信号，如图 2 中理想方波波形所示。但是，在接收机端看到的却是质量变差的信号，如图2中变形的波形所示。什么原因造成的？假设接收电路也是好的，那么问题就出在信号的传输路径上。

图2 高速信号的传输质量变差

假设是信号的传输路径问题，比如存在着明显的阻抗不连续部分（过孔，线变宽/变窄等），为验证它们对信号的影响，我们可采用一脉冲/码型发生器产生高质量的信号接到这条传输线的一端，用一台高带宽示波器在另一端进行接收，我们看到发出的信号的眼图如图3 左边所示，而在另一端看到的眼图却变得较差（示波器的影响除外），如图3右边所示。这说明传输线的质量会对信号完整性构成显著的影响。

图3 脉冲码型发生器产生高质量的激励信号(左图),传输线的质量会对信号完整性构成显

著的影响(右图)

除了传输线质量的影响，我们还要考虑到这样一个问题：通常Driver 的输出阻抗为低阻，假设传输线的阻抗为5ohm，而接收端的输入阻抗为高阻，如图4 所示。这同样造成了阻抗的不匹配，引起反射，造成信号失真。解决的方法是可在输出端串联一特定阻值的电阻(可通过计算，仿真得到)，比如40欧姆。结果，我们看到接收端的波形质量大为改观，如图4下面图所示。

图4 通过串联电阻使接收端的波形质量大为改观

影响信号完整性的因素很多，归纳起来，主要四大方面的原因：

●由于阻抗不连续所造成的单个网络内信号的质量问题；

●多个网络之间由于耦合所造成的串扰问题；

●电源层及地线层的阻抗不连续所造成的问题；

●来自系统其它部分的EMI 问题。

信号完整性分析在欧美，日本等技术先进国家近些年来已成为一个非常热门的行业，它是实现高性能数字化产品的基础，就如同一个城市的道路建设，只有路修得好，车才能跑得既稳又快。因此，国内外很多大公司都相继成立了信号完整性分析的研发力量。目前国内许多军工和国防研发机构在信号完整性分析方面的工具是不够完善的，非常有必要建立信号完整性分析平台，以适应新一代系统的研发需求。

信号完整性平台功能与组成

图5是在开发的不同阶段，所需要的工具图。信号完整性分析平台主要包括下面几个部分：信号完整性仿真分析、高速互连高级测试分析、高速信号测试分析、系统级激励响应测

试分析、系统级总线和系统测试分析等。后面针对具体的典型的工具做较具体的介绍。

图5 信号完整性分析的不同阶段和平台组成

二信号完整性仿真分析工具

解决信号完整性问题要从最初设计阶段着手，仿真工具是必不可少的，市场上有许多时域的，频域的仿真软件。可采用安捷伦的ADS 仿真工具，对高速传输线、关键器件、关键接插件、系统等进行仿真、建模，它能完成：

表1 ADS信号完整性工具能完成的功能

图6为对传输线模型进行时域仿真实例，仿真结果以时域眼图形式显示出来。图7 为首先进行版图设计，然后进行基于版图的电磁场仿真，将其的结果再进行时域仿真。传输线模型或版图模型还可以转换为SPICE 模型，供其它时域仿真软件使用。

图6 对传输线模型进行时域仿真实例仿真结果以时域眼图形式显示出来

图7 对基于版图的电磁场仿真结果再进行时域仿真

ADS提供了SI 分析所用的必要的仿真器，它还能与仪表相连，获取测量模型。ADS 中的设计指南提供SI 仿真指导，方便了操作和使用，ADS针对SI 的具体配置如下表。

表2 ADS针对SI应用的具体配置

三 PCB和互连测试分析工具

仿真之后，要制作出实物，如PCB、Connector、电缆等，由于制作工艺及综合设计等原因，可能会造成实物与期望的不符，所以，接下来要进行实物测试。

针对PCB和互连测试分析，我们不但需要传统的TDR/TDT（时域反射/时域传输）以及矢量网络分析仪（VNA），还需要针对信号完整性的特殊应用，比如基于TDR/TDT（时域反射/时域传输）以及矢量网络分析仪（VNA）的物理层测试系统。